Ортозы и экзоскелеты с внешним источником энергии
Ортозы и экзоскелеты с внешним источником энергии — это носимые роботизированные устройства, которые добавляют внешнюю активацию, сенсорику и управление к конечности человека для помощи, усиления или восстановления движения. В отличие от пассивных ортезов, которые только ограничивают или перенаправляют движение, эти системы передают энергию через двигатели или другие приводы и адаптируют свое поведение к пользователю с помощью встроенных датчиков и программного обеспечения для управления. Эта область охватывает вспомогательные устройства для ходьбы для людей с травмами спинного мозга или инсультом, протезы конечностей с микропроцессорным управлением и нейронные интерфейсы, которые соединяют такие устройства с нервной системой.
Definition
Ортозы и экзоскелеты с внешним источником энергии — это носимые мехатронные системы, включающие приводы, датчики и архитектуру управления, которые действуют параллельно или вместо сегмента тела для обеспечения вспомогательного крутящего момента или мощности с целью поддержки передвижения, манипуляции или реабилитации.
Scope
Эта область знакомит читателя с классами устройств, принципами работы и клиническими целями, которые отличают активные (с внешним источником энергии) ортезы и протезы от обычных пассивных устройств. Она объединяет четыре темы: классификация и инженерные принципы экзоскелетов с внешним источником энергии; активные экзоскелеты нижних конечностей, используемые для передвижения и реабилитации походки; протезы с микропроцессорным управлением; и нейронные интерфейсы и сенсорная обратная связь. Это справочно-образовательный обзор, а не руководство по закупкам, назначению или обучению.
Sub-topics
Core questions
- Что отличает устройство с внешним источником энергии (активное) от пассивного ортеза или обычного протеза?
- Как стратегии сенсорики и управления позволяют устройству адаптироваться к намерениям пользователя и фазе походки?
- Для каких клинических групп населения и целей изучалась помощь с внешним источником энергии?
- Как интерфейсы — механические, миоэлектрические и нейронные — передают намерения и обратную связь между пользователем и устройством?
Key concepts
- Активные против пассивных устройств
- Привод и источник питания
- Сенсорика и обнаружение намерений
- Иерархическое управление (высокий/средний/низкий уровень)
- Адаптация с участием человека в контуре управления
- Управление по фазам походки и конечному состоянию
- Двунаправленные интерфейсы (команда и обратная связь)
Mechanisms
Устройство с внешним источником энергии замыкает контур между пользователем и мехатронной системой. Датчики (энкодеры, датчики силы или давления, инерциальные блоки и биоэлектрические электроды) оценивают состояние и намерения пользователя; иерархия управления преобразует эту оценку в команды приводам; и приводы обеспечивают крутящий момент или мощность в одном или нескольких суставах. Обзоры этой области описывают это многоуровневое строение как распознавание намерений высокого уровня, управление состоянием и траекторией среднего уровня и управление приводом низкого уровня [tucker-2015]. Системы для нижних конечностей обычно организуются вокруг фазы походки, переключая помощь в соответствии с фазами опоры и переноса [yan-2015]. Протезные системы декодируют остаточную мышечную или нервную активность — иногда усиленную хирургической пересадкой нервов — для управления устройством [hargrove-2013].
Clinical relevance
Ортозы и экзоскелеты с внешним источником энергии изучаются как инструменты для поддержки стояния, ходьбы, хватания и манипулирования для людей с неврологическими состояниями или потерей конечностей, а также как платформы для интенсивной реабилитации. Отчеты описывают их использование при травмах спинного мозга и после инсульта [esquenazi-2012]. Эта статья описывает, как технология классифицируется и как генерируются доказательства; она не является основанием для выбора, подбора или назначения устройства для конкретного человека, что требует специализированной клинической оценки.
Evidence & guidelines
Доказательная база в основном состоит из инженерных обзоров, исследований осуществимости устройств и небольших когорт, а не крупных рандомизированных исследований. Нарративные обзоры обобщают стратегии управления и подходы к помощи в ортезах, экзоскелетах и активных протезах с внешним источником энергии [tucker-2015][yan-2015], в то время как ранние клинические отчеты документируют результаты амбулаторного лечения с использованием конкретных экзоскелетов нижних конечностей [esquenazi-2012]. Читателям следует с осторожностью относиться к заявлениям об отдельных устройствах и консультироваться с текущими систематическими обзорами и нормативной информацией по любому конкретному продукту.
History
Вспомогательные устройства с внешним источником энергии развивались от пассивных ортезов и протезов с механическим приводом к мехатронным системам по мере совершенствования портативных приводов, батарей, микроконтроллеров и биоэлектрических датчиков. Ранние экзоскелеты с внешним источником энергии предназначались для переноски грузов и реабилитации; клиническое внедрение ускорилось в 2010-х годах с появлением носимых экзоскелетов для ходьбы при травмах спинного мозга [esquenazi-2012] и протезов конечностей, которые декодируют нервные и мышечные сигналы для управления [hargrove-2013].
Debates
- Насколько функциональную пользу добавляют устройства с внешним источником энергии по сравнению с пассивными альтернативами?
- Обзоры отмечают, что добавленные привод, вес, стоимость и сложность должны быть оправданы измеримыми улучшениями в функции или результатах реабилитации, и что строгие сравнительные доказательства все еще ограничены для многих устройств.
Related topics
Seminal works
- yan-2015
- tucker-2015
- esquenazi-2012
Frequently asked questions
- Чем экзоскелет отличается от обычного ортеза?
- Обычный ортез пассивен — он ограничивает, поддерживает или перенаправляет движение, но не добавляет энергии. Экзоскелет с внешним источником энергии содержит приводы, которые обеспечивают крутящий момент или мощность, и систему управления, которая адаптируется к пользователю, поэтому он может активно помогать или приводить в движение.
- Являются ли эти устройства заменой реабилитационной терапии?
- Нет. Они изучаются как инструменты, используемые в реабилитации или как вспомогательные устройства, а не как самостоятельные методы лечения. Их выбор и использование являются клиническими решениями, принимаемыми квалифицированными специалистами, и эта статья является исключительно образовательным справочным материалом.